CN107244379A - 一种抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，所述方法采用多孔介质材料固定在航行体或水翼的局部或全部固壁表面上，具体固定位置至少为以下情况中的一种：A、多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面空泡初生位置上游区域；B：多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面空泡初生位置附近；C：多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡区域内；D：多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡尾部及附近区域位置处；E：多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡尾部下游。本发明有效地抑制了多孔介质区附近甚至整个航行体或水翼固壁表面的空化流动现象。

Description

一种抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法

技术领域

本发明涉及一种抑制空化的流动控制方法，尤其涉及一种抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法。

背景技术

为了控制航行体或者水翼表面空化现象，以到达改善航行体水动力特性、提高其结构可靠性以及降低流动噪声的目的，现有的空化抑制技术主要包括：水动力外形优化、局部粗糙表面、隔离条带结构及射流。上述空化抑制技术均存在一定的问题：

1、采用水动力外形优化的方法虽然可以在一定航行速度下减弱甚至消除空化现象，但是实际航行过程中，往往由于姿态变化或者在速度略有升高时，会在航行体或水翼表面出现局部低压空化区域甚至大范围的空化区；

2、采用隔离条带结构则主要用于控制空泡的回射及脱落现象，对空化初生现象的控制效果有限，而且由于以上隔离条带结构往往在局部突出航行体或者水翼表面，从而会产生一定的附加阻力；

3、局部沟槽结构会削弱壳体强度，为了保证其安全性需要进行壳体加厚，从而增加了其重量，且由于沟槽结构也仅能适应于特定的流动条件，当航行条件发生变化时，很难有效抑制空化现象；

4、射流技术则需要驱动系统，包括电机、泵以及管道结构等，系统较为复杂。

随着水下航行体（包括舰船、潜艇、水下武器以及无人潜水器等）速度的提高，其表面将出现局部甚至大范围的空化现象，将显著影响其水动力特性、操纵稳定性以及隐身特性。例如，当由于航行体或者水翼表面空泡尾部的水流回射现象使得局部压力过大，产生局部空蚀和材料剥落，尤其是空泡尺寸较大时产生的回射流冲击现象甚至会造成严重的结构变形及破坏。航行体及其水翼表面的空化现象还会使得其水动力和操纵力矩显著减小，从而影响航行体的姿态稳定性。此外，由于空泡的非定常发展，特别是空泡尾部非定常的空泡团脱落及漩涡结构，还会使得航行体表面以及其周围流场出现较大的压力脉动现象，进而产生流动噪声，减弱了其隐声性能。因此，如何避免和减弱空化现象一直是舰船、潜艇、水下武器以及无人潜水器等领域重要的研究内容之一，具有较大的理论价值和工程意义。

发明内容

为了消除或减弱航行体及其水翼表面的空化现象，本发明提供了一种抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，通过采用覆盖或镶嵌局部甚至全部航行体或水翼固壁表面的多孔介质结构，以减小其表面附近的流体速度、增大流体压力，达到推迟甚至消除空化现象的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，采用多孔介质材料固定在航行体或水翼的局部或全部固壁表面上，具体固定位置至少为以下情况中的一种：

A：空泡初生位置上游控制

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面空泡初生位置上游区域；

B：空泡初生位置处控制

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面空泡初生位置区域；

C：空泡区内部控制

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡区域内；

D：空泡回射位置处控制

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡尾部区域；

E：空泡下游控制

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡尾部下游。

本发明中，所述多孔介质材料可以采用具有任何孔隙结构的多孔介质。

本发明中，所述多孔介质材料不局限于刚性材料，也可采用柔性多孔材料，例如合金、陶瓷等材料，其他具有类似多孔介质阻尼特性的材料也适用于本发明。

本发明中，所述多孔介质材料和航行体或水翼固壁表面间采用任何连接方式。

本发明中，所述多孔介质材料可以直接覆盖在航行体或水翼已有固壁表面上，也可通过在固壁表面开槽镶嵌，还可部分嵌入固壁表面，部分凸出固壁表面。

本发明中，所述多孔介质材料和航行体或水翼固壁表面可以采用特殊工艺直接制造，如直接铸造、3D打印等工艺将多孔材料和固壁一体化制造，而避免采用机械连接、焊接方式等其他方式进行表面多孔介质的固定。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、在空化程度较小时，本发明利用多孔介质的阻力特性，可以显著降低航行体或水翼附近的流体速度、提高压力，从而可有效的推迟空泡的初生。

2、当空化较为剧烈时，本发明通过多孔介质的阻尼效应，降低航行体或水翼附近的流体速度、提高压力，可减小空泡体积。

3、本发明利用多孔介质的阻尼效应，在多孔介质层内部形成相对稳定的空泡现象，使得空泡脱落等非定常发展现象主要发生在多孔区表面，利用多孔介质本身的吸能特性及以在其内部固定的气体产生的弹性吸能效应，减少回射冲击。

4、本发明通过减小航行体及水翼表面的空化区范围，增加高速航行时航行体的沾湿表面，相当于提高了航行体的可操控性，尤其是在高速水下航行体姿态控制方面，以上作用将更为突出。

5、本发明利用多孔介质具有的消音降噪作用，可以减小流动噪声，包括航行体表面压力脉动以及空化脱落等各种非定常流动现象导致的流动噪音，提高航行体的隐蔽性。

6、本发明可以与传统的抑制空化技术兼容，即在采用其他流动控制技术后，可采用该技术来进一步消除或抑制航行体或翼型的空化流动现象。

7、本发明采用高强度、轻质量的多孔介质覆盖或镶嵌航行体以及水翼表面，其本身可作为壳体的一部分，从而可以减小内部固体壳体的厚度，使得航行体整个壳体重量减轻。

8、当受多孔介质覆盖的固壁厚度减小时，由于固壁包裹在多孔介质内部，其附近流体速度较低，摩擦阻力较小，而多孔介质为可渗透表面，与原先较厚的固体壁面相比，其附加阻力也可以减小。

9、本发明适用于水面船舶、快艇、潜艇、水下航行体、无人潜水器等的沾湿表面。

附图说明

图1为多孔介质在水下航行体表面的布置方式；

图2为某回转体表面采用多孔介质抑制空化的示意图；

图3为空化数为0.2时有无多孔介质覆盖时的空泡对比，（a) 无控制，（b) 有多孔介质控制；

图4为空化数为0.3时有无多孔介质覆盖时的空泡对比，（a) 无控制，（b) 有多孔介质控制；

图5为空化数为0.2时壁面压力系数对比；

图6为空化数为0.3时壁面压力系数对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明为了消除或减弱航行体及其水翼表面的空化现象，采用多孔介质材料覆盖或镶嵌在航行体或水翼的局部以及全部固壁表面上，所述多孔介质材料采用合金、陶瓷等材料，其内部具有细密的孔隙结构，可有效地抑制多孔介质区附近甚至整个航行体或水翼固壁表面的空化流动现象。具体实施方案包括如下几种：

方案1：空泡初生位置上游控制

采用多孔介质材料覆盖或镶嵌在空化初生位置上游。如图1所示，所述结构包括航行体1或水翼2、多孔介质材料4，多孔介质材料4固定在航行体1或水翼2固壁表面3空泡初生位置上游区域A，通过减小上游速度来推迟或抑制多孔介质区下游的空化初生。

方案2：空泡初生位置处控制

采用多孔介质材料覆盖或镶嵌在空化初生位置附近。如图1所示，多孔介质材料4固定在航行体1或水翼2固壁表面3空泡初生位置附近B，直接改变空化初生区域的速度和压力，推迟或抑制空化初生。

方案3：空泡区内部控制

采用多孔介质材料包裹航行体1或者水翼2空泡内局部区域。如图1所示，多孔介质材料4固定在航行体1或水翼2固壁表面3对应空泡区域C内，通过阻尼效应减小空泡内部速度、提高局部压力，减弱或消除局部空化，并影响下游的空泡尾部回射与脱落等现象。

方案4：空泡回射位置处控制

采用多孔介质覆盖或镶嵌在空泡尾部附近。如图1所示，多孔介质材料4固定在航行体1或水翼2固壁表面3对应空泡尾部及附近区域位置处D，通过多孔介质阻尼效应减小空泡脱落和回射过程中的冲击载荷及流动噪声。

方案5：空泡下游控制

采用多孔介质覆盖或镶嵌在空泡下游。如图1所示，多孔介质材料4固定在航行体1或水翼2固壁表面3对应空泡尾部下游E，通过多孔介质阻尼效应减小下游脱落空泡发展过程中的压力脉动，减小流动噪声。

方案6：针对多孔介质覆盖位置的不同区域组合控制

针对以上方案1~方案5中在航行体1或水翼2固壁表面3局部区域覆盖或镶嵌多孔介质材料的控制方法，可采用以上任意两种或多种区域的组合以及整个航行体1或水翼2固壁表面3覆盖或镶嵌多孔介质材料的流动控制方法。

方案7：不同多孔介质参数的组合控制

根据对空化区域流动控制参数的不同，可在航行体1或水翼2固壁表面3分区或者分段采用相同或不同多孔介质参数的流动控制方案，其中多孔介质参数包括：孔隙形状与大小、孔隙率、粘性阻尼系数、惯性阻力系数、多孔介质层厚度等。

方案8：不同多孔介质排布形式的组合控制

根据对空化区域流动控制参数的不同，可在航行体1或水翼2固壁表面3采用多种阵列式的多孔区覆盖或镶嵌控制方案，包括不同形状尺寸的阵列组合、不同多孔介质材料的阵列组合、不同特性参数（孔隙形状与大小、孔隙率、粘性阻尼系数、惯性阻力系数、多孔介质层厚度等）的多孔介质阵列组合等。可采用各种交错排列组合控制方案，且方案1~方案7中的多孔介质控制单元参数可均采用阵列式多孔介质覆盖。

上述方案采用一薄层多孔介质覆盖或镶嵌在航行体或水翼的局部或者全部固壁表面，利用多孔介质对水流的阻碍作用，减小壁面附近流速，可以有效地提高航行体和水翼表面的压力，进而可达到以下目的：

1、由于航行体周围水流受多孔介质阻碍，其流速降低，压力升高，可有效的降低初生空化数；

2、在产生空化现象时，多孔介质可有效地减小空泡的体积；

3、由于多孔介质本身具有吸能效应，可以大幅减小泡回射及脱落过程中的压力冲击；

4、多孔材料本身具有较好的吸音降噪能力，从而可减小航行体的流动噪声，提高其隐身特性；

5、可以与传统的抑制空化技术兼容，即在采用其他流动控制技术后，可采用该技术来进一步消除或抑制航行体或翼型的空化流动现象。

6、采用高强度、轻质量的多孔介质覆盖航行体以及水翼表面，其本身可作为壳体的一部分，从而可以减小内部固体壳体的厚度，使得航行体整个壳体重量减轻；

7、当受多孔介质包裹的固壁厚度减小时，由于固壁包裹在多孔介质内部，其附近速度较低，摩擦阻力较小，而多孔介质为可渗透表面，与原先较厚的固体壁面相比，其附加阻力也可以减小。

图2给出了在某回转体表面采用多孔介质抑制空化的示意图，其中回转体半径为0.1m，多孔介质厚度为0.005m，将该航行体头部和侧面全部覆盖多孔介质材料。多孔介质材料的孔隙率为0.5，渗透率为0.00000000025m²，对比了空化数为0.2 和0.3下的多孔介质材料对流动控制效果。

由图3和图4可知，采用多孔介质材料覆盖后，空泡长度明显减小，且采用多孔介质材料控制后空泡内主要为汽液混合流动状态。

图5和图6给出了航行体表面的压力系数沿轴向的分布，采用流动控制后空泡的长度明显减小，且空泡尾部的回射压力也显著减小。以泡内低压区范围来衡量空泡的长度时，空化数为0.2时采用流动控制后空泡长度客减小约25%；空化数为0.3时空泡长度减小32%。此外，空泡尾部的回射压力来看，若以空泡尾部最大压力与空泡内部的压力差来评价回射冲击大小，空化数为0.2和0.3时采用多孔介质材料控制后的回射冲击可较无流动控制时相对减小26% 和25%，即航行体表面的回射冲击将显著减小，而回射冲击的减小必然使得流动噪声也相应的减小。

Claims (9)

1.一种抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述方法采用多孔介质材料固定在航行体或水翼的局部或全部固壁表面上，具体固定位置至少为以下情况中的一种：

A、空泡初生位置上游控制：

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面空泡初生位置上游区域；

B、空泡初生位置处控制：

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面空泡初生位置区域；

C、空泡区内部控制：

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡区域内；

D、空泡回射位置处控制：

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡尾部区域位置处；

E、空泡下游控制：

多孔介质材料固定在航行体或水翼固壁表面对应空泡尾部下游。

2.根据权利要求1所述的抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述多孔介质材料为刚性材料或柔性多孔材料。

3.根据权利要求1所述的抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述多孔介质材料为合金或陶瓷。

4.根据权利要求1所述的抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述多孔介质材料直接覆盖在航行体或水翼已有固壁表面上，或通过在固壁表面开槽镶嵌，或部分嵌入固壁表面，部分凸出固壁表面。

5.根据权利要求1所述的抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述多孔介质材料和航行体或水翼固壁表面采用一体化制造。

6.根据权利要求1所述的抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述多孔介质材料采用相同或不同的多孔介质参数覆盖在航行体或水翼固壁表面上。

7.根据权利要求1所述的抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述多孔介质材料采用阵列组合方式覆盖在航行体或水翼固壁表面。

8.根据权利要求7所述的抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述阵列组合方式为以下方式中的一种或几种：不同形状尺寸的阵列组合、不同多孔介质材料的阵列组合、不同多孔介质参数的多孔介质阵列组合。

9.根据权利要求6或7所述的抑制水下航行体及水翼表面空化现象的流动控制方法，其特征在于所述多孔介质参数包括孔隙形状与大小、孔隙率、粘性阻尼系数、惯性阻力系数、多孔介质层厚度。